في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.
1القوانين وطرق الحل
الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور
الاستقرار
جميع جذور كثير الحدود المميِّز في النصف الأيسر من المستوى
جدول راوث، عنصر الصف s¹ في كثير حدود تكعيبي
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
جذور النصف الأيمن من المستوى
عدد تغيّرات الإشارة في العمود الأول
كثير الحدود التكعيبي s³ + a₂s² + a₁s + a₀
مستقر حين a > 0 لجميع المعاملات وa₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
المعادلة المميزة
1 + K·G(s) = 0
الخطوط المقاربة
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
نقطتا الانفصال والالتقاء
dK/ds = 0
شرط المقدار
K = 1/|G(s)|
زاوية المغادرة
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)
الطريقة
اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة: مقام 1 + K·G(s) = 0، بعد فكّه.
ضع المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث وابنِ بقية الصفوف.
عُدّ تغيّرات الإشارة في العمود الأول: كل تغيّر قطب في النصف الأيمن من المستوى. ومع وجود K في الجدول اشترط أن يبقى كل عنصر في العمود الأول موجبًا.
للمحل الهندسي للجذور عيّن الأقطاب والأصفار وقطع المحور الحقيقي والخطوط المقاربة من المركز ونقاط الانفصال حيث dK/ds = 0. واستخدم K = 1/|G(s)| لإيجاد الكسب عند نقطة.
خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID
نوع النظام
عدد أقطاب G(s) عند s = 0
ثوابت الخطأ
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
الخطوة A
ess = A/(1 + Kp)
المنحدر A·t
ess = A/Kv
القطع المكافئ A·t²/2
ess = A/Ka
المتحكم PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
الهدف من الرتبة الثانية
s² + 2ζωns + ωn²
التجاوز والتوقيت
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
الطريقة
عُدّ أقطاب الحلقة المفتوحة C(s)·G(s) عند s = 0: فذلك هو نوع النظام.
طبّق ess = A/(1 + Kp) أو A/Kv أو A/Ka، أو حُلّها لإيجاد الكسب المطلوب.
لمواصفة التخميد أو السرعة اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة وطابقه مع s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2مسائل تدريبية
1.تحويلات لابلاسمتوسطة
F(s) = (4s + 17)/(s² + 9s + 8). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−t + B·e−8t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.
F(s) = (4s + 17)/(s² + 9s + 8)
A =
2.تحويلات لابلاسصعبة
حلّ y″ + 6y′ + 5y = 0 مع y(0) = 9 و y′(0) = −2 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,25).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 9y′(0) = −2t = 0,25 s
y(0.25) =
3.المخططات الصندوقيةمتوسطة
النظام المُتحكَّم فيه G(s) = K/(s(s + 11)) في حلقة تغذية راجعة سالبة أحادية. أوجد الكسب K الذي تكون عنده الحلقة المغلقة متخامدة تخميدًا حرجًا (قطبان حقيقيان متساويان).
G(s) = K/(s(s + 11))تغذية راجعة سالبة أحادية
K =
4.المخططات الصندوقيةصعبة
النظام المُتحكَّم فيه G(s) = 34/(s(s + 6)) في حلقة تغذية راجعة سالبة كسب مستشعرها H = 1. أقطاب الحلقة المغلقة مركّبة. أوجد جزأها الحقيقي σ.
G(s) = 34/(s(s + 6))H = 1
σ =
5.الاستجابة الخطويةمتوسطة
لنظام دالة النقل G(s) = 8/(s² + s + 16) ويتلقى دخلًا خطويًا وحدويًا. أوجد النسبة المئوية للتجاوز %OS في الاستجابة الخطوية.
G(s) = 8/(s² + s + 16)
%OS = %
6.الاستجابة الخطويةصعبة
تُظهر الاستجابة الخطوية لنظام من الرتبة الثانية بلا أصفار تجاوزًا قدره 15 %، وتقع الذروة الأولى عند t = 0,8 s. أوجد التردد الطبيعي ωn.
يغادر المحل الهندسي للجذور لـ L(s) = K(s + 11)/(s(s + 4)) المحور الحقيقي بين s = 0 وs = −4، ثم يدور ويلتقي بالمحور الحقيقي مجددًا إلى يسار الصفر. أوجد نقطة الالتقاء si.
L(s) = K(s + 11)/(s(s + 4))
si =
9.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDمتوسطة
يُطبَّق منحدر r(t) = 1t على حلقة تغذية عكسية وحدوية فيها G(s) = 20/(s(s + 5)(s + 10)). أوجد خطأ الحالة المستقرة ess.
G(s) = 20/(s(s + 5)(s + 10))r(t) = 1t
ess =
10.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PIDصعبة
يتحكم متحكم تناسبي K = 5 في المحطة G(s) = 5/(s(s + 8)) ضمن حلقة تغذية عكسية وحدوية. أوجد زمن الذروة tp للاستجابة الخطوية.
G(s) = 5/(s(s + 8))K = 5
tp = s
11.مخططات بودي والهوامشمتوسطة
لـ مرشح RC لتمرير الترددات العالية الموضح R = 10 kΩ, C = 100 nF. يُطبَّق دخل جيبي مقداره 640 Hz. أوجد إزاحة الطور φ للجهد vout بالنسبة إلى vin، بالدرجات.
R = 10 kΩC = 100 nFf = 640 Hz
φ = °
12.مخططات بودي والهوامشصعبة
حلقة تغذية عكسية وحدوية دالة نقلها المفتوحة L(s) = K/(s(s + 5)(s + 9)). أوجد الكسب K الذي يعطي هامش كسب قدره 5 dB.
L(s) = K/(s(s + 5)(s + 9))GM = 5 dB
K =
3المحاليل
1.تحويلات لابلاس
الإجابة: A = 1,857
تحويل لابلاس: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt يحوّل المشتقات إلى ضرب في s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0)، ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). الأزواج القياسية: 1 ↔ 1/s، e−at ↔ 1/(s + a)، t·e−at ↔ 1/(s + a)²، sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)، cos ωt ↔ s/(s² + ω²)، والإزاحة s → s + σ تضرب دالة الزمن في e−σt. لعكس F(s) كسرية، جزّئها إلى كسور جزئية: باقي القطب البسيط p هو A = [(s − p)·F(s)] عند s = p. نظرية القيمة النهائية: f(∞) = lims→0 s·F(s)، وتصحّ فقط عندما تقع كل أقطاب s·F(s) في نصف المستوى الأيسر. نظرية القيمة الابتدائية: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
حلّل المقام
s² + 9s + 8 = (s + 1)(s + 8)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 8)
قاعدة التغطية
اضرب في (s + 1) وضع s = −1: يختفي حدّ B.
A = (4s + 17)/(s + 8) |s = −1 = 13/7 = 1,857
الإجابة
A = 1,857
(B = 2,143، لذا f(t) = 1,857·e−t + 2,143·e−8t)
2.تحويلات لابلاس
الإجابة: y(0.25) = 7,871
تحويل لابلاس: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt يحوّل المشتقات إلى ضرب في s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0)، ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). الأزواج القياسية: 1 ↔ 1/s، e−at ↔ 1/(s + a)، t·e−at ↔ 1/(s + a)²، sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)، cos ωt ↔ s/(s² + ω²)، والإزاحة s → s + σ تضرب دالة الزمن في e−σt. لعكس F(s) كسرية، جزّئها إلى كسور جزئية: باقي القطب البسيط p هو A = [(s − p)·F(s)] عند s = p. نظرية القيمة النهائية: f(∞) = lims→0 s·F(s)، وتصحّ فقط عندما تقع كل أقطاب s·F(s) في نصف المستوى الأيسر. نظرية القيمة الابتدائية: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
حوّل المعادلة
s²Y − 9s − (−2) + 6(sY − 9) + 5Y = 0
Y(s) = (9s + 52)/((s + 1)(s + 5))
الكسور الجزئية
A = 43/4 = 10,75
B = 7/(−4) = −1,75
النتيجة
y(t) = 10,75·e−t − 1,75·e−5t
y(0,25) = 7,871
الإجابة
y(0,25) = 7,871
تحقّق: y(0) = A + B = 9.
3.المخططات الصندوقية
الإجابة: K = 30,25
جبر المخططات الصندوقية: الصناديق على التوالي تُضرب (G₁·G₂)، والصناديق على التوازي تُجمع (G₁ + G₂)، والحلقة ذات المسار الأمامي G ومسار التغذية الراجعة H تُختزل إلى T = G/(1 + G·H) للتغذية الراجعة السالبة و G/(1 − G·H) للتغذية الراجعة الموجبة. اختزل الحلقات الداخلية أولًا، ثم اتجه إلى الخارج. أقطاب الحلقة المغلقة هي جذور المعادلة المميّزة 1 + G(s)H(s) = 0. لحلقة مستقرة، دخل خطوة مقداره A يعطي خرج الحالة المستقرة A·T(0)؛ ومع التغذية الراجعة الأحادية يكون خطأ الحالة المستقرة لخطوة A/(1 + Kp) مع Kp = G(0).
المعادلة المميزة
1 + K/(s(s + 11)) = 0 → s² + 11s + K = 0
جذر مكرّر
كثيرة الحدود التربيعية s² + βs + γ لها جذر مزدوج عندما β² = 4γ.
11² = 4K → K = 121/4 = 30,25
الإجابة
K = 30,25
يقع القطبان للحلقة المغلقة عندئذٍ عند s = −5,5.
4.المخططات الصندوقية
الإجابة: σ = −3
جبر المخططات الصندوقية: الصناديق على التوالي تُضرب (G₁·G₂)، والصناديق على التوازي تُجمع (G₁ + G₂)، والحلقة ذات المسار الأمامي G ومسار التغذية الراجعة H تُختزل إلى T = G/(1 + G·H) للتغذية الراجعة السالبة و G/(1 − G·H) للتغذية الراجعة الموجبة. اختزل الحلقات الداخلية أولًا، ثم اتجه إلى الخارج. أقطاب الحلقة المغلقة هي جذور المعادلة المميّزة 1 + G(s)H(s) = 0. لحلقة مستقرة، دخل خطوة مقداره A يعطي خرج الحالة المستقرة A·T(0)؛ ومع التغذية الراجعة الأحادية يكون خطأ الحالة المستقرة لخطوة A/(1 + Kp) مع Kp = G(0).
المعادلة المميزة
s(s + 6) + 34·1 = 0 → s² + 6s + 34 = 0
الجذور
s = −3 ± j·√(34 − 9) = −3 ± j5
σ = −3
الإجابة
σ = −3
5.الاستجابة الخطوية
الإجابة: %OS = 67,31 %
الاستجابة للدخل الخطوي: النظام من الرتبة الأولى G(s) = K/(τs + 1) يستجيب لخطوة مقدارها U بالعلاقة y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): يبلغ 63,2 % من القيمة النهائية K·U بعد ثابت زمني واحد τ و98 % بعد 4τ. والنظام من الرتبة الثانية G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) له القطبان s = −ζωₙ ± jωd مع ωd = ωₙ√(1 − ζ²). وعندما 0 < ζ < 1 تتجاوز الاستجابة الخطوية القيمة النهائية: النسبة المئوية للتجاوز %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وزمن الذروة tp = π/ωd، وزمن الاستقرار عند 2 % هو ts ≈ 4/(ζωₙ). قارن المقام مع s² + 2ζωₙs + ωₙ² لقراءة ωₙ وζ. وفي نظام كتلة–نابض–مخمّد ωₙ = √(k/m) وζ = c/(2√(km))؛ وفي دائرة RLC على التسلسل ωₙ = 1/√(LC) وζ = (R/2)·√(C/L).
قارن مع الصيغة القياسية
يجب أن يطابق المقام s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 16 → ωₙ = 4 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·4) = 0,125
النتيجة
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0,3958 = 67,31 %
الإجابة
%OS = 67,31 %
6.الاستجابة الخطوية
الإجابة: ωn = 4,587 rad/s
الاستجابة للدخل الخطوي: النظام من الرتبة الأولى G(s) = K/(τs + 1) يستجيب لخطوة مقدارها U بالعلاقة y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): يبلغ 63,2 % من القيمة النهائية K·U بعد ثابت زمني واحد τ و98 % بعد 4τ. والنظام من الرتبة الثانية G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) له القطبان s = −ζωₙ ± jωd مع ωd = ωₙ√(1 − ζ²). وعندما 0 < ζ < 1 تتجاوز الاستجابة الخطوية القيمة النهائية: النسبة المئوية للتجاوز %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وزمن الذروة tp = π/ωd، وزمن الاستقرار عند 2 % هو ts ≈ 4/(ζωₙ). قارن المقام مع s² + 2ζωₙs + ωₙ² لقراءة ωₙ وζ. وفي نظام كتلة–نابض–مخمّد ωₙ = √(k/m) وζ = c/(2√(km))؛ وفي دائرة RLC على التسلسل ωₙ = 1/√(LC) وζ = (R/2)·√(C/L).
معيار راوث–هرفيتز: يكون النظام الخطي مستقرًا حين يقع كل جذر من جذور كثير حدوده المميِّز في النصف الأيسر من المستوى s. اكتب المعاملات بالتناوب في الصفين الأولين من جدول راوث. يأتي كل عنصر في صف جديد من الصفين اللذين فوقه؛ وبالنسبة إلى كثير حدود تكعيبي a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ يكون عنصر الصف s¹ هو b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. عدد تغيّرات الإشارة في العمود الأول يساوي عدد الجذور في النصف الأيمن من المستوى. وحين يدخل الكسب K في المعاملات يجب أن يبقى كل عنصر في العمود الأول موجبًا: الكسب الذي يجعل عنصر الصف s¹ صفرًا هو حدّ الاستقرار، ثم يعطي الصف s² تردد التذبذب المستمر.
جدول روث
s³ + 18s² + 80s + K = 0
s³: 1, 80
s²: 18, K
s¹: (18·80 − K)/18
s⁰: K
أكبر كسب مستقر
Kmax = 18·80 = 1440
العامل
m = 1440/480 = 3
الإجابة
m = 3
هذا العامل هو هامش الكسب كنسبة: 9,542 dB.
8.الاستقرار: راوث–هرفيتز والمحل الهندسي للجذور
الإجابة: si = −19,77
المحل الهندسي للجذور: حين يتغير الكسب K من 0 إلى ∞ تتحرك أقطاب الحلقة المغلقة، وهي جذور 1 + K·G(s) = 0، من أقطاب الحلقة المفتوحة إلى أصفار الحلقة المفتوحة أو إلى ما لا نهاية. تنتمي نقطة على المحور الحقيقي إلى المحل الهندسي حين يكون عدد الأقطاب والأصفار الحقيقية على يمينها فرديًا. تتبع الفروع n − m المتجهة إلى ما لا نهاية خطوطًا مقاربة بالزوايا (2q + 1)·180°/(n − m)، وتنطلق من المركز σₐ = (Σ الأقطاب − Σ الأصفار)/(n − m). تغادر الفروع المحور الحقيقي أو تنضم إليه حيث dK/ds = 0. يحدد شرط الزاوية ∠G(s) = 180° الشكل، ويعطي شرط المقدار K = 1/|G(s)| الكسب عند أي نقطة من المحل الهندسي.
الكسب على طول المحور الحقيقي
K(s) = −(s² + 4s)/(s + 11)
النقاط الحرجة
اشتق بقاعدة القسمة وساوِ البسط بالصفر.
(2s + 4)(s + 11) − (s² + 4s) = s² + 22s + 44 = 0
s = −11 ± √77 = −2,225, −19,77
نقطة الالتقاء
si = −19,77
الإجابة
si = −19,77
بين نقطتي الانفصال والالتقاء يكون المحل الهندسي دائرة مركزها الصفر، ونصف قطرها √77 = 8,775.
9.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID
الإجابة: ess = 2,5
خطأ الحالة المستقرة: في حلقة تغذية عكسية وحدوية بدالة نقل الحلقة المفتوحة G(s) يكون الخطأ E(s) = R(s)/(1 + G(s))، وبنظرية القيمة النهائية ess = lims→0 s·E(s). نوع النظام هو عدد أقطاب G(s) عند s = 0. ثوابت الخطأ هي Kp = lim G(s) وKv = lim s·G(s) وKa = lim s²·G(s)، كلها عندما s → 0. تعطي دالة خطوة بحجم A الخطأ ess = A/(1 + Kp)، وتعطي دالة منحدرة A·t الخطأ A/Kv، وتعطي دالة قطع مكافئ A·t²/2 الخطأ A/Ka. تتبع حلقة من النوع 0 دالة الخطوة بخطأ منتهٍ، أما حلقة من النوع 1 فتتبعها تمامًا وتتبع دالة المنحدر بخطأ منتهٍ.
ثابت السرعة
Kv = lim s·G(s) = 0,4
خطأ المنحدر
ess = 1/0,4 = 2,5
الإجابة
ess = 2,5
10.خطأ الحالة المستقرة والتحكم PID
الإجابة: tp = 1,047 s
التحكم P وPI وPID: يعمل المتحكم C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s على الخطأ. الكسب التناسبي يجعل الحلقة أسرع ويقلل خطأ محطة من النوع 0، لكنه لا يزيله أبدًا. يضيف الحد التكاملي قطبًا عند s = 0: فيرتفع نوع النظام بواحد، وتُتبع الخطوة دون خطأ. ويضيف الحد التفاضلي تخميدًا. لاختيار الكسوب اكتب كثير الحدود المميِّز للحلقة المغلقة وقارنه بـ s² + 2ζωns + ωn². عندئذٍ %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)، وtp = π/ωd مع ωd = ωn√(1 − ζ²)، وts ≈ 4/(ζωn).
كثير الحدود المميِّز
s(s + 8) + 5·5 = s² + 8s + 25
ωₙ وζ
ωₙ = √25 = 5 rad/s
ζ = 8/(2·5) = 0,8
زمن الذروة
ωd = 5·√(1 − 0,8²) = 3 rad/s
tp = π/3 = 1,047 s
الإجابة
tp = 1,047 s
11.مخططات بودي والهوامش
الإجابة: φ = 13,97 °
الاستجابة الترددية: عوّض s = jω في دالة النقل. المقدار بالديسيبل هو 20·log₁₀|H(jω)| والطور هو مجموع زوايا عوامل البسط ناقص زوايا عوامل المقام. مرشح RC أو RL من الرتبة الأولى له تردد الركن (−3 dB) عند ωc = 1/(RC) أو R/L، وfc = ωc/(2π)؛ ومرشح تمرير الترددات المنخفضة يعطي |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) وφ = −atan(ω/ωc). وفي مخطط بودي التقريبي (الخطوط المستقيمة) ينحني كل قطب بالمقدار إلى الأسفل بـ 20 dB/decade عند تردد ركنه، وينحني كل صفر إلى الأعلى بـ 20 dB/decade، ويعطي المكامل 1/s ميلًا قدره −20 dB/decade عند كل الترددات. تردد تقاطع الكسب ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB)؛ وهامش الطور PM = 180° + ∠L(jωc). تردد تقاطع الطور ω180: ∠L(jω) = −180°؛ وهامش الكسب GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. تكون الحلقة المغلقة مستقرة حين يكون الهامشان موجبين.
تردد الركن
ωc = 1/(RC) = 1/(10000·1 × 10⁻⁷) = 1000 rad/s
fc = 159,2 Hz → f/fc = 640/159,2 = 4,021
الطور
φ = 90° − atan(4,021) = 13,97°
الإجابة
φ = 13,97°
12.مخططات بودي والهوامش
الإجابة: K = 354,3
الاستجابة الترددية: عوّض s = jω في دالة النقل. المقدار بالديسيبل هو 20·log₁₀|H(jω)| والطور هو مجموع زوايا عوامل البسط ناقص زوايا عوامل المقام. مرشح RC أو RL من الرتبة الأولى له تردد الركن (−3 dB) عند ωc = 1/(RC) أو R/L، وfc = ωc/(2π)؛ ومرشح تمرير الترددات المنخفضة يعطي |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) وφ = −atan(ω/ωc). وفي مخطط بودي التقريبي (الخطوط المستقيمة) ينحني كل قطب بالمقدار إلى الأسفل بـ 20 dB/decade عند تردد ركنه، وينحني كل صفر إلى الأعلى بـ 20 dB/decade، ويعطي المكامل 1/s ميلًا قدره −20 dB/decade عند كل الترددات. تردد تقاطع الكسب ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB)؛ وهامش الطور PM = 180° + ∠L(jωc). تردد تقاطع الطور ω180: ∠L(jω) = −180°؛ وهامش الكسب GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. تكون الحلقة المغلقة مستقرة حين يكون الهامشان موجبين.